Jak se obohacuje jaderné palivo

Pro energetické využití se ve většině světových jaderných reaktorů obvykle používá uran obsahující okolo 3 až 4 % izotopu 235U. Jak to ale udělat, když přírodní uran obsahuje 99,3 % izotopu 238U a z hlediska chemického chování jsou oba izotopy prakticky totožné? Naštěstí existují technologické postupy obohacování uranu založené na rozdílných fyzikálních vlastnostech izotopů.

Přírodní uran existoval již při vzniku Země. Na počátku, zhruba před 4,5 miliardou let, měl vysoký obsah izotopu 235U – byl tedy „vysoce obohacený“. Během času se nestabilní izotopy podle zákona radioaktivní přeměny rozpadají (přeměňují) a izotop 235U, který má ve srovnání s izotopem 238U poločas rozpadu přibližně sedmkrát kratší, se stal vzácnějším. Dnes obsahuje přírodní uran izotopu 235U pouze 0,7 %.
Obohacení jaderného paliva o izotop 235U je důležité pro řízenou štěpnou reakci v nejběžnějších lehkovodních reaktorech. Pomocí zpomalených neutronů je štěpitelný právě izotop 235U. Existují i reaktory využívající přírodní uran, neobohacený, ale ty musejí používat jako moderátor tzv. těžkou vodu (D2O). S obyčejnou (lehkou) vodou H2O se při použití přírodního uranu reaktor vůbec nerozběhne. Při vlastním provozu reaktoru je mimořádně důležitá celková bilance neutronů; ta je mnohem lepší, pokud se pro reaktor použije obohacené palivo. Lehká voda jako moderátor je také mnohem levnější a dostupnější.
Výsledkem obohacování jaderného paliva je uran, který obsahuje více izotopu 235U než uran přírodní. Takto obohacené palivo umožňuje nejen s reaktorem pracovat na potřebném výkonu, ale i po dostatečně dlouhou dobu. Při provozu reaktoru se izotop 235U spotřebovává, postupně „vyhořívá“.

Jak se to dělá

Nejpoužívanější metody obohacování jsou difúze a odstředivková metoda, popř. kombinace těchto metod. Obě využívají nepatrný rozdíl v hmotnostech obou sledovaných izotopů uranu. Obohacovací proces je energeticky i časově velice náročný a vyžaduje vyspělou technologii. Největší obohacovací závody využívající plynné difúze jsou ve Francii a v USA, centrifugy se využívají v Rusku, Číně, Velké Británii, Nizozemí, Německu. Menší obohacovací závody jsou i v Jižní Africe, Pakistánu a v Japonsku. Já jsem měla možnost navštívit provoz Eurodif francouzské firmy Areva (dříve Cogema) v údolí Rhôny v jižní Francii a ráda se s vámi o své zážitky podělím.

Difúze

Uran je nejprve přeměněn na plynný hexafluorid UF6, který je pod tlakem protlačován keramickými porézními přepážkami v mnohastupňových difúzních kaskádách. Molekuly hexafluoridu s izotopem 235U jsou lehčí a tedy oproti molekulám s izotopem 238U nepatrně „hbitější“, takže procházejí o něco málo rychleji. Aby ve výsledném produktu byl více zastoupen izotop 235U, je třeba proces tisíckrát opakovat.
Hlavním ekonomickým problémem metody je mimořádná energetická náročnost – proces probíhá za vysokých teplot, kompresory protlačující plyn membránami spotřebují mnoho energie. Pro představu: vedle rozsáhlého francouzského závodu Eurodif (zaujímá 600 hektarů) stojí jaderná elektrárna Tricastin. Tři ze čtyř jejích tisícimegawattových bloků vyrábějí energii jen pro obohacovací závod Eurodif. Přesto se to vyplatí – obohacený uran je báječným vývozním artiklem. Spolupráce Tricastinu a obohacovacího závodu zároveň působí jako vítaný regulátor spotřeby v síti – je-li elektřiny nadbytek, pracuje Eurodif. Je-li elektřiny nedostatek, difúzní kolony se zastaví a elektrárna dodává do veřejné sítě.

Centrifugace

Pro druhou metodu se uran rovněž převádí na plynný UF6. V odstředivkách (centrifugách) při vysokých otáčkách se pak molekuly s těžším izotopem 238U hromadí na okrajích a ve středu centrifug zůstávají převážně molekuly s izotopem 235U.

Tento systém pracuje s 50krát menší spotřebou energie než difúzní systémy a jeho účinnost je závislá především na rychlosti otáčení centrifugy. Pro dělení izotopů uranu se tento systém zavedl v 70. letech 20. století. Dříve se obvykle používaly rotačky s ocelovými lopatkami, dosahujícími rychlosti kolem 330 m/s (rychlost zvuku), v současné době se prosazují materiály z uhlíkových vláken s rychlostí 600 m/s a teoretické možnosti využití vlastností Kevlaru dávají předpoklad dosáhnout až 1 100 m/s. Pro potřebné obohacení je nezbytné použití kaskád několika desítek tisíc kusů odstředivek. V lokalitě Eurodif se vedle provozu s difúzními kolonami staví moderní provoz Georges Besse II, v němž po dokončení bude pracovat sedm milionů odstředivek. (Georges Besse byl v sedmdesátých letech prezidentem Eurodif a byl zavražděn aktivisty). Byla jsem jedním z posledních návštěvníků staveniště – brzy se haly uzavřou, protože montáž odstředivek je tajná.

Areva je jedním ze čtyř největších dodavatelů obohaceného uranu na světě a ovládá více než 25 % trhu. Odpadní teplo z provozů Eurodif se využívá pro vytápění.